引气方式对免蒸压陶粒轻质混凝土隔墙板性能影响

2022-03-31杨医博曾威振邓良权陈峭卉徐哲

新型建筑材料 2022年3期

杨医博，曾威振，邓良权，陈峭卉，徐哲

（1.华南理工大学土木与交通学院，广东广州 510641；2.华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室，广东广州 510641；3.中铁房地产集团华南有限公司，广东广州 510000；4.广东中都建筑集团有限公司，广东湛江 524400；5.广东省建筑材料研究院有限公司，广东广州 510500）

0 引言

陶粒混凝土空心墙板是用量较大的一种轻质隔墙板[1]，国内外对用于生产墙板的陶粒混凝土和陶粒泡沫混凝土有较多研究[2-7]。掺加引气剂引入少量气泡能解决陶粒混凝土中陶粒上浮问题[8-12]。陶粒泡沫混凝土中，为避免陶粒吸水造成的泡沫破裂，通常需进行预湿处理[13]，泡沫剂对其性能有较大影响[14]。

陶粒泡沫混凝土主要采用泡沫剂发泡制备[5]，用发泡机预先制备泡沫，通过搅拌机将泡沫与拌合物混合制备。但预先制备的泡沫稳定性较差，且由于泡沫与料浆的密度差较大，容易出现泡沫混合不均匀现象。相比下，使用引气剂，通过搅拌的方式引入气泡制备陶粒轻质混凝土的工艺较简单，是一种较优的隔墙板引气方式，但相关研究很少。

本文结合笔者对我国隔墙板标准及使用要求的分析[15]，在免蒸压陶粒轻质混凝土（NCLC）隔墙板开孔设计的基础上，采用能引入大量微小气泡的特种引气剂，进行标准养护条件下引气NCLC 的配合比研究，并与采用泡沫剂的发泡NCLC进行对比；进而采用NCLC 优选配比，分析干热养护条件下不同引气方式对隔墙板试件面密度、抗压强度和干缩性能的影响，得到优选的NCLC 引气方式。

1 实验

1.1 原材料

水泥：广州珠江水泥有限公司产P·Ⅱ42.5R 硅酸盐水泥；骨料：河砂（细度模数2.1）和300 级的黏土陶粒（堆积密度290 kg/m3，表观密度485 kg/m3，1 h 吸水率1.4%，粒径2～10 mm）；自来水。

减水剂：广州砼宝建材科技发展有限公司产TB-300 聚羧酸减水剂，固含量20%；引气剂：广州新建化学建材科技有限公司产HHPC 液体引气剂；泡沫剂：烟台威驰化工有限公司生产的蛋白类液体泡沫剂。

1.2 NCLC 性能实验方法

引气NCLC 制备步骤为：（1）搅拌机中先加入水泥、骨料、约1/3 总用水，慢速搅拌1 min；（2）再加入剩余的水、适量的减水剂、引气剂后慢速搅拌3 min。

发泡NCLC 制备步骤为：（1）搅拌机中先加入水泥、骨料、约1/3 总用水，慢速搅拌30 s；（2）加入剩余的水、适量的减水剂、慢速搅拌2.5 min；（3）泡沫剂用发泡机发泡后，取适量泡沫放入搅拌机；（4）慢速搅拌1 min。

扩展度按GB/T 8077—2012《混凝土外加剂匀质性试验方法》中水泥净浆法进行测试，使用的金属圆模高为60 mm，上口直径为36 mm，下口直径为65 mm。

湿密度参照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》中表观密度的方法进行测试，使用1 L 容量筒。养护后密度指在进行3 d 抗压强度测试前的混凝土体积密度，称为3 d 密度。

抗压强度实验采用70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm 立方体试件，加载速度设置为0.5 kN/s。因NCLC 含有较多气泡，工作性能较好，试件成型时分2 层装料，每装完1 层后进行左右摇晃2 次，最后刮平。

标准养护制度：试件带模在室内静置1 d 后拆模，再将试件放入标准养护室[温度（20±2）℃，相对湿度大于95%]养护至3 d 龄期。

干热养护制度：成型后静停5 h，再在50 ℃的烘箱中干热养护5 h 脱模，最后自然养护至3 d 龄期。

1.3 隔墙板开孔设计

对于板厚为90、120 mm 的空心板，JG/T 169—2016《建筑隔墙板用轻质条板通用技术要求》要求其面密度分别不大于110、140 kg/m2。考虑轻质多孔混凝土抗压强度随着密度增加而提高[16]，本研究通过合理设计隔墙板的开孔来提高其开孔率，使用较高密度的轻质多孔混凝土制备隔墙板，解决NCLC隔墙板抗压强度不足的问题。

本研究采用圆角矩形的开孔设计方案，板厚为90、120 mm 隔墙板的开孔形状、尺寸及混凝土密度要求见表1，隔墙板的横截面示意见图1。

表1 隔墙板的规格及密度要求

由表1 可见，采用上述隔墙板开孔设计，在混凝土密度低于1735 kg/m3时，隔墙板的面密度能够满足要求。考虑到隔墙板配筋以及混凝土生产中的波动，选择1650 kg/m3为实验中混凝土最大湿密度。

1.4 隔墙板试件性能实验方法

参考JG/T 169—2016，制备高度为100 mm、包含2 个完整的肋宽的隔墙板试件（1 组3 个，横截面尺寸及试件见图2）。养护完成后，先测试隔墙板试件的质量，计算混凝土3 d密度和隔墙板面密度，再测试隔墙板试件的3 d 抗压强度。

干燥收缩采用的干缩试件，参照GB/T 30100—2013《建筑墙板试验方法》中干燥收缩测试中的标准法：试件先放入温度为（20±2）℃的水中浸泡72 h，擦干表面水后测试初始长度。然后将试件放入温度（20±1）℃、相对湿度（43±2）%的干缩室中，测试不同龄期的干缩值。

2 引气方式对标准养护NCLC 性能影响

2.1 引气NCLC 的性能

选择砂胶比为2.0、水胶比为0.30，陶粒绝对体积掺量为10%、15%、20%、30%，通过调整减水剂和引气剂用量制备目标湿密度为1450、1550、1650 kg/m3的3 种引气NCLC。考虑材料波动，湿密度范围控制为目标值±30 kg/m3，引气NCLC 的配合比见表2，其工作性能见表3。

表2 引气NCLC 的配合比

表3 引气NCLC 的工作性能

由表3 可见，通过调整外加剂，能够配制出湿密度满足要求的混凝土。随着陶粒掺量掺加，流动性有下降的趋势，需增加减水剂用量。这是由于随着陶粒掺量增加，混凝土中浆体体积下降，且需包裹陶粒的浆体量增多所致。

在制备同一湿密度的混凝土时，由于陶粒密度较小，陶粒用量增加所需的浆体密度越大；在浆体量减少及浆体与陶粒密度差加大的影响下，混凝土中陶粒浮面现象加剧。当陶粒绝对体积掺量20%时，已出现陶粒凸起现象（见图3）；而陶粒绝对体积掺量30%时，陶粒上浮现象明显（见图4）。

陶粒绝对体积掺量为30%时的拌合物陶粒上浮严重，故未对该试件进行密度及抗压强度测试。其余配合比试件的3 d密度与抗压强度关系如图5 所示。

从图5 可见，在相同3 d 密度时，混凝土3 d 抗压强度随陶粒绝对体积掺量增加而略有提高，随密度提高而明显提高。从提高混凝土抗压强度的角度考虑，宜采用较高掺量的陶粒。在实验中也发现，对于陶粒体积掺量为10%的混凝土，湿密度为1450 kg/m3的NCLC 受压破坏时，陶粒基本保持完整，是内部砂浆破坏导致试件破坏；而湿密度为1550 kg/m3的NCLC 受压破坏时，有明显的陶粒破裂现象。这就说明，随着混凝土密度增加，砂浆强度逐渐提高，混凝土的受压薄弱点逐渐从砂浆转移到陶粒，这与王小娟[17]在陶粒泡沫混凝土中观察到的现象一致。为充分发挥陶粒的性能，NCLC 的湿密度不宜低于1550 kg/m3。

2.2 发泡NCLC 的性能

将泡沫剂母液稀释50 倍后，使用发泡机进行泡沫的制备。实验中发现，新制备的泡沫细小且较均匀，但稳定性较差。为保证实验所使用的泡沫性能一致，泡沫放置时间不超过3 min。

在2.1 节研究的基础上，选择较优的配合比进行发泡NCLC 研究。保持砂胶比为2.0，水胶比为0.30，陶粒绝对体积掺量为15%和20%，通过调整减水剂和泡沫用量制备目标湿密度分别为1550、1650 kg/m3的发泡NCLC。湿密度范围控制为目标值±30 kg/m3，发泡NCLC 的配合比见表4，其工作性能见表5。

表4 发泡NCLC 的配合比

表5 发泡NCLC 的工作性能

实验中发现，陶粒绝对体积掺量为20%时，制备湿密度为1650 kg/m3的NCLC 时陶粒上浮现象严重，未对该试件进行密度及强度测试。

将其余配合比试件的3 d 龄期密度与强度及2.1 节中的YT15 进行对比分析，见图6。

从图6 可见，在相同3 d 密度时，混凝土3 d 抗压强度随陶粒绝对体积掺量增加而略有提高，随密度提高而明显提高。在3 d 密度相等时，引气NCLC（YT15）的抗压强度较发泡NCLC（FT15）高。根据拟合方程计算，在3 d 密度为1650 kg/m3时，引气NCLC 的抗压强度较发泡NCLC 高约9%。

实验表明，采用同样原材料和配合比，在同样密度时，利用引气剂制备的NCLC 抗压强度高于泡沫剂制备的NCLC。从生产工序看，引气剂的使用更为简单，气泡质量稳定性较好，是比现有泡沫剂更好的制备NCLC 的方式。

2.3 机理分析

在NCLC 体系中，影响其抗压强度的包括骨料、浆体、骨料和浆体的界面3 个方面，由于引气和发泡NCLC 采用同样的骨料，影响其抗压强度的就只有浆体，以及骨料和浆体的界面2个方面。

切割引气NCLC（YT15-2）和发泡NCLC（FT15-2）试件，用数码相机拍照切割表面，再用Image-Pro Plus 6.0 软件进行气孔结构分析。引气NCLC 灰度化图像及相应的孔隙分析见图7，发泡NCLC 灰度化图像及相应的孔隙分析见图8。

使用Image-Pro Plus 6.0 软件进行图7 和图8 的处理后，因陶粒与孔隙的灰度值基本一致，直接对图片进行孔隙孔径统计包含陶粒的孔径，故手动选择无陶粒、气泡分布较均匀的区域进行孔径分析。

黄士元等[18]认为采用引气剂等方式得到的混凝土气孔直径在0.2 mm 左右。库马·梅塔等[19]认为采用外加剂引入的气孔直径为0.05～0.2 mm。为降低因试件切割过程中，砂子未被切开而整粒掉落形成的孔洞的影响，孔径的统计结果筛除孔径大于0.2 mm 孔隙进行分析，结果见图9 及表6。

表6 引气和发泡NCLC 中孔径分布比例

从图9 和表6 可见，本研究的气孔孔径集中在0.05 mm以内，其主要原因是本研究采用的引气剂为特制引气剂，其引入的气孔孔径较小。

与发泡NCLC 相比，引气NCLC 的气孔孔径较小，且在0.05 mm 内的数量较多，由于微孔对强度影响小于大孔，这也是引气NCLC 比发泡NCLC 抗压强度高的主要原因。

采用蔡司EVO 18 Special Edition 扫描电镜对引气NCLC（YT15-2）和发泡NCLC（FT15-2）的陶粒与浆体的界面、河砂与浆体的界面、气孔内部进行SEM 分析，相片分别见图10～图12。

由图10 和图11 可见，引气和发泡NCLC 中，陶粒与浆体结合紧密，边界不明显；河砂与浆体的界面结合也较好，浆体的密实度也均较高。

由图12 可见，2 种NCLC 气孔内部均有针状的水化产物，但引气NCLC 的针状水化产物明显多于发泡NCLC，其主要原因是混凝土中的气泡形成方式不同所致。发泡NCLC 是先拌制泡沫，再将泡沫引入混凝土中，为避免气泡破灭，其气泡的强度可能较高，气泡表面的液膜能够较好地阻止水化产物向气泡内部生长，使得其在气泡表面铺展生成。而引气NCLC 是搅拌过程中形成气泡，气泡的液膜可能较薄，因此水化产物能够刺入气泡，向气泡内部生长。

这也进一步表明，骨料与浆体界面及浆体本身对NCLC的抗压强度影响较小，影响NCLC 抗压强度的主要是气孔的孔径大小。